破解氣象密碼 精準追光逐風
發(fā)布時間：2023-03-30
【賽普瑞電氣】綠色是我國能源未來發(fā)展的底色。目前，我國電力行業(yè)已經加快向高比例新能源、低碳排放情景轉變，以光伏、風電為主的新能源成為電力供應的重要力量。新能源發(fā)電與氣象變化緊密相關，如何讀懂氣象密碼，精準預知新能源出力對能源保供至關重要。中國電力科學研究院有限公司電力氣象團隊，十余年來持續(xù)“捕”風“捉”光，精準預測，研發(fā)了國內首套覆蓋范圍最廣、預測容量最大的新能源功率預測系統(tǒng)，為我國新能源消納提供基礎支撐。
從無到有，“捕”風“捉”光更科學
隨風而起，向陽而生，新能源發(fā)電具有“看天吃飯”的天然屬性。如何從“看天吃飯”到“知天而為”?做好新能源功率預測是重要手段之一。
3月21日，受冷空氣影響，我國北方地區(qū)出現(xiàn)大范圍沙塵天氣。沙塵在空中遮擋太陽，沉降之后還會附著在光伏板表面，直接影響發(fā)電效率。
中國電力科學研究院有限公司新能源研究中心電力氣象團隊成員王錚上班的第一件事兒，就是查看最新的氣象數據，再把最新數據輸入新能源功率預測模型，計算得出最新的預測結果，然后發(fā)給各省電力調度控制中心，用于制定最新的發(fā)電計劃。
“每當看到自己優(yōu)化的預測結果與當天的新能源實際發(fā)電功率曲線完美吻合時，我都特別滿足。”王錚說。
新能源功率預測和氣象數據有著強關聯(lián)性，風速、風向、輻照度、云量等氣象要素是建立新能源功率預測模型的基礎信息。作為國家電網有限公司科技創(chuàng)新的主力軍，中國電力科學研究院有限公司提前布局，于2008年開始組建電力氣象團隊，探索開發(fā)我國首套新能源功率預測系統(tǒng)。
“不同于傳統(tǒng)的氣象技術，電力氣象技術主要針對電力系統(tǒng)需求開展定制化的研發(fā)，突出‘定時、定點、定量’預報，而非公共氣象服務針對大范圍區(qū)域的定性預報。”中國電力科學研究院有限公司新能源研究中心副主任馮雙磊介紹，我國地大物博、地形多樣，應用于電力行業(yè)的數值天氣預報需要更加精細的時空分辨率以及更高精度的預報準確性，不同地區(qū)采用不同的氣象參數化方案，可以對我國不同地區(qū)進行分區(qū)模擬預報。
電力氣象團隊剛成立時僅有3人，現(xiàn)任中國電力科學研究院有限公司新能源研究中心電力氣象團隊負責人的王勃就是其中之一。2008年，王勃從北京航空航天大學碩士一畢業(yè)，就應聘進了電力氣象團隊，氣象數據、新能源場站數據和功率預測模型自此成了他每天掛念的“老伙計”。
“剛起步時是兩眼一抹黑，我們既沒有氣象數據，又缺乏技術條件。”王勃介紹，當時他的研究設備只有一臺電腦，很多工作需要人工完成，最初的預測模型是團隊成員一個一個代碼手動敲出來的。由于當時國內研究是空白，他們只能與國外研究機構合作，借鑒國外已有的數學模型。但依靠國外的數據和技術不是長久之計，必須建立自己的電力氣象預報中心。
2010年，電力氣象團隊建立了國內首個專業(yè)的面向電力氣象服務的數值天氣預報中心，可以收集到全國氣象站觀測和電力生產運行專業(yè)氣象數據，定制發(fā)布電力生產需要的數值天氣預報。
數值天氣預報模式，就是使用大型計算集群求解離散化的大氣運動原始方程組，為方程組輸入基于觀測的預報初始場和邊界場，并添加各種微尺度物理過程參數化方案，再利用觀測數據進行同化和訂正，最終得到隨時間演化的預報場數據。
從“跟隨”到“領跑”，王勃和團隊成員不斷搜集海量歷史數據、觀測數據，嘗試運用氣象、物理、數學等多種方法，優(yōu)化預測模型，自主攻克技術難關。
2013年，中國電科院“大型風電并網運行與試驗檢測關鍵技術及應用”項目獲得國家科學技術進步獎二等獎，風電功率預測是其中重要的一部分。
2016年，中國電科院“新能源發(fā)電調度運行關鍵技術及應用”項目獲得國家科學技術進步獎二等獎，風電、光伏發(fā)電功率預測是項目的核心創(chuàng)新點之一。
2020年，中國電科院主導發(fā)布國際標準《可再生能源發(fā)電功率預測》(IEC TR 63043)。這是國際電工委員會1906年成立至今第一個關于可再生能源發(fā)電功率預測的國際標準，引領了該領域技術發(fā)展方向，有力提升了我國在新能源發(fā)電并網領域的國際話語權。
如今，在數值天氣預報中心，一排排黑色的高性能計算機集群在晝夜不停地分析數據。這里有刀片服務器600臺、計算核16080顆，存儲容量達2.65拍字節(jié)(PB)，運算速度達到400萬億次/秒。
能掐會算，綠電進京更給力
張北，風能、太陽能資源豐富，有著“風的故鄉(xiāng)，光的海洋”的美譽。
葉片轉動、硅片向陽，大量清潔的風能、太陽能轉化為綠色的電能，通過條條銀線源源不斷地輸向首都北京。
2010年，中國電科院在張北建成世界領先的風電試驗基地。王勃和團隊成員在這里設置了極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星接收裝置，每時每刻都在捕捉風、光的信息，每10分鐘回傳一次。
大力發(fā)展以光伏、風電為主的新能源是推動我國能源轉型，實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑。張家口、承德已建成大型新能源基地，且距離北京較近，擴大河北北部地區(qū)的綠電進京，是北京市優(yōu)化調整能源結構，提高清潔能源比例的必然選擇。
新能源具有隨機性、波動性和間歇性特點，如果不能精準預知、預控出力，輸電通道就存在越限風險，必須降低輸送功率。這樣會導致通道利用率顯著下降，電網資源配置能力受限，引發(fā)供電能力不足和新能源棄電雙重風險。
為解決新能源消納和保障可靠供電的矛盾，2008~2018年，電力氣象團隊開展了新能源精準預測與電網調控優(yōu)化關鍵技術研究。
張北地區(qū)的新能源場站80%以上分布在偏遠山區(qū)，這種復雜地形對于新能源功率預測是個巨大挑戰(zhàn)。
“山區(qū)的氣候更加多變，突然的降雪、降雨、降溫，都會對新能源發(fā)電產生巨大影響。比如冬季張北經常有極寒天氣，氣溫降至零下30攝氏度以下，風機就面臨被凍住的風險。”王錚說，在張北地區(qū)做新能源功率預測模型必須把復雜地形的氣候影響考慮進去，不能簡單地照搬平原地區(qū)的模型。
經過反復研究，電力氣象團隊攻克了考慮場站局地效應的新能源資源集合預報技術，研發(fā)了國內首套面向復雜地形條件的新能源資源集合預報系統(tǒng)，集合預報成員40個，最高空間分辨率從5000米精細化到30米，風速、輻照度波動區(qū)間覆蓋率達到80%以上。
與風電相比，光伏發(fā)電的功率曲線具有很強的周期性，理論上每天都能形成一個饅頭型的發(fā)電曲線。但是，每當一片云飄過，光伏板的發(fā)電效率就能從80%降至20%。追云，成為王勃和團隊成員重點考慮的問題。
“公共氣象預報缺乏對云團移動的預報，這需要我們自己想辦法。”王勃說，在數據缺失的情況下，他們借助高空拍攝的衛(wèi)星云圖和設置在地面的全天空成像儀拍攝的地面云圖展開分析，通過對比海量的云圖照片，推斷未來云團的演化軌跡，判斷是否會對電站進行遮擋，以及形成遮擋以后，光伏電站的功率會波動多少。
最終，電力氣象團隊創(chuàng)新提出了基于云觀測圖像的云團動態(tài)特征提取方法，建立了云團運動模式辨識模型，解決了光伏電站上空云團生消、位移等復雜運動模式的準確識別難題。
研究期間，團隊突破了新能源概率預測、分鐘級光伏預測、發(fā)電計劃動態(tài)校正、快速響應控制等關鍵技術，在保障可靠供電的同時，大幅提升了首都綠電供應能力。2019~2021年，華北電網年均新增新能源電量163.7億千瓦時(增長率36%)，項目研發(fā)系列產品已應用于華北、冀北、山東、山西、江蘇等15個省級、區(qū)域電網，支撐新能源高效消納。
2022年，“提升首都綠電供應能力的新能源精準預測與智能調控關鍵技術及應用”項目榮獲中國可再生能源學會科學技術進步獎一等獎。
北京冬奧會期間，“張北的風點亮北京的燈”成為美談，北京冬奧場館也實現(xiàn)了奧運史上首次100%使用綠色電力。
智慧升級，電力保供更可靠
近年來，受全球變暖影響，極端天氣頻繁發(fā)生。
《全球氣候狀況報告(2022)》顯示，2022年，全球氣象災害多發(fā)頻發(fā)，主要表現(xiàn)為北半球夏季高溫干旱以及全球區(qū)域性暴雨洪澇災害。
氣候變化是制約新能源發(fā)展的重要因素，隨著新能源的快速發(fā)展以及需求側氣象關聯(lián)性負荷的增長，電力系統(tǒng)生產運行與氣象條件的聯(lián)系更加緊密，進一步提高新能源預測精度尤為重要。
王勃清楚地記得，自2021年10月2日起，國家電網有限公司電力調度控制中心就開始召集經營區(qū)各區(qū)域、省級電力調度控制中心和中國電科院每天舉行新能源消納視頻會商會，對比分析新能源預測和實際消納數據，查找新能源預測不準原因，找出解決辦法，做好電力安全可靠供應保障。
“現(xiàn)在，很多省份的新能源裝機容量超過總裝機的50%，電網對新能源在電力和電量方面都有了要求。新能源不僅要提供足額的電量，還要對電網起到支撐作用，能夠準確地告訴電網新能源未來一段時間究竟能出多少力。”王勃說，暴雪、沙塵等對電網的動態(tài)平衡影響很大，一點風吹草動都會引起新能源的異常波動，需要提前發(fā)現(xiàn)隱患，不斷升級預測模型。
搭建科學的預測模型需要大量復合學科的人才。如今，電力氣象團隊已經吸納了人工智能、氣象學、數學、計算機、環(huán)境工程等多學科人才，由最初的3人發(fā)展到如今的30余人，在一次次頭腦風暴中解決了一個又一個難題。
“90后”滑申冰2016年參加工作，在師父的帶領下，僅僅半年，便開始在項目中獨當一面?；瓯菍W環(huán)境工程專業(yè)的，讀碩士期間參與過大氣污染方面的研究，目前對暴雪、沙塵暴等極端天氣格外關注。
“每當我和團隊負責人王勃進行溝通，他總能不停地追問，讓我發(fā)現(xiàn)一個普通的問題背后隱藏著許多有價值的問題，研究起來非常有動力和成就感。”滑申冰說，他這幾年收獲很大，中國電科院還定期邀請高校和研究院所的科研人員來講座，提供海量的線上線下學習資源，讓年輕人不斷汲取行業(yè)前沿知識，快速成長成才。
目前，數值天氣預報中心已大幅提升了自動化水平，減少了人工操作步驟，依托龐大的集群計算能力，可在一個小時內將全國的電力氣象情況自動編制報告，再經過必要、少量的人工審核后，一鍵上傳到發(fā)布平臺，供各級電網公司查看。
打開中國電科院新能源功率集中預測平臺，國家電網經營區(qū)未來10天的新能源功率預測分析一覽無余。目前，該平臺預測容量超過4億千瓦，為世界第一;省級電網風電和光伏發(fā)電功率日前預測精度均超過90%，處于國際先進水平。
氣象萬千，研究不止。未來，新能源功率預測技術將與人工智能技術進一步融合發(fā)展，提供更加精準的功率預測結果，讓新能源真正“風光”無限，為我們的生活添綠添彩。
原文來自：亮報作者：許天驕，由開關柜除濕器廠家賽普瑞電氣轉載分享！